不同類型剪力連接件的破壞過程及破壞機理研究

宋隨弟，祝兵，陳克堅，王沖沖

(1．中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031;2．西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

不同類型剪力連接件的破壞過程及破壞機理研究

宋隨弟1，祝兵2，陳克堅1，王沖沖2

(1．中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031;2．西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

為研究鋼-混組合橋梁結構中不同類型剪力連接件的破壞過程及破壞機理，設計B，D，J 3類共9個試件進行試驗研究。分析了3類剪力連接件的破壞發展歷程，探討了3類剪力連接件的破壞形態以及破壞機理，并對3類剪力連接件的荷載-滑移曲線特征進行分析。結果表明:PBL連接件(B，D類)與角鋼連接件(J類)的破壞發展過程大不相同，B類剪力連接件的破壞形態屬于貫穿鋼筋的剪斷或屈服破壞，D類剪力連接件的破壞形態屬于鋼板的剪切破壞;而角鋼連接件在不設置貫穿鋼筋時屬于混凝土過早的失去約束作用而被壓潰破壞，因此，角鋼連接件設置貫穿鋼筋是非常有必要的。

PBL連接件;角鋼連接件;室內試驗;破壞形態;破壞機理;荷載-滑移曲線

鋼-混組合橋梁結構能夠充分發揮鋼和混凝土2種材料的優點，此類結構形式越來越多的被應用于橋梁工程中，也是橋梁發展的主要方向之一［1］。在此類橋梁中，鋼構件和混凝土是通過剪力連接件實現共同受力的，于是連接件的設計是此類橋梁設計的核心問題之一。

剪力連接件根據形式的不同可大致分為2種:①鋼板開孔剪力連接件，即PBL剪力鍵，具有抗剪剛度大，承載力高，延性好等優點［2-4］，20世紀90年代初，首次在委內瑞拉的Third Caroni河橋上得到應用;②型鋼連接件，其剛度大，承載能力強，但延性較PBL剪力鍵差［5-7］。如何選擇2種類型剪力連接件，是設計中需要考慮的一項重要問題，因此有必要探明2種類型剪力連接件的破壞過程及破壞機理，為剪力連接件的設計提供參考依據。

本文以蘭州市二環主干道上小砂溝大橋(57 m+ 2×100 m+57 m波形鋼腹板連續剛構橋)為工程背景，對該橋中混凝土頂、底板與波紋鋼腹板剪力連接件的受力性能進行試驗研究，頂板與腹板采用開孔連接件形式，如圖1(a)所示，底板與腹板采用角鋼連接件形式，如圖1(b)所示。據此2種連接件形式設計3類共計9個試件，進行實體試驗，對2種類型的剪力連接件的破壞過程和破壞機理進行總結和分析，并提出相關建議。

圖1 小砂溝大橋上、下翼緣連接構造(單位:mm)

1 試驗概況

1.1 試驗設計

本文共設計3類9個試件進行試驗研究，其編號分別為B-20，D-25，J-0，構造參數見表1，鋼結構構造圖如圖2所示。B類試件為圓孔開孔PBL連接件，鋼板開孔直徑為60 mm、鋼板厚度為20 mm、貫穿鋼筋直徑為20 mm;D類試件為倒梯形孔PBL連接件，鋼板開孔為到底性孔、鋼板厚度為24 mm、貫穿鋼筋直徑為25 mm;J類試件為角鋼連接件，角鋼鋼板上的開孔直徑為60 mm、鋼板厚度為20 mm、無貫穿鋼筋。所有試件均采用C55混凝土，普通鋼筋和貫通鋼筋采用HRB400級，開孔鋼板及加勁板采用Q345qE。

表1 各類試件構造參數

圖2 剪力連接件的鋼結構構造

1.2 加載和測試

在加載前先根據有限元數值分析及現有的參考計算公式獲得彈性承載能力值F。

每組試件正式加載之前均按0.5倍彈性極限荷載進行2次預加載(持荷5 min)，以消除殘余黏結力的影響。每組試件(3個試件)正式加載分2次，第1次加載確定彈性承載力，第2次加載確定極限承載力。

每組模型中首個模型進行加載時，荷載增量不宜過小，以每級荷載增量為0.2F，每次持荷5 min，測試載荷、滑移量和應變，進入彈塑性階段后以0.1F的增量加載至試件破壞，每次持荷5 min，后期滑移量讀數達到不穩定狀態時應適當增長持荷時間至15 min。由于計算值F與試驗值存在差異，故從每組試件的第2個試件開始，分別根據前1個試件的加載情況調整F值，重復以上加載步驟。

試驗測試項目包括試驗荷載、加載端與混凝土頂面之間的相對滑移、連接件對應的鋼板與混凝土之間的相對滑移。試驗荷載由試驗機直接讀出。加載端及鋼板與混凝土間的相對滑移采用數字千分表來測量，具體方法:在指定的鋼板位置放置千分表，在相應位置處混凝土塊上安放表架，使千分表與表架相抵觸，當鋼板產生滑動時，千分表會隨鋼板滑動而自由伸縮，從而測出指定位置處鋼板與混凝土的相對滑移量。

2 試驗結果分析

2.1 剪力連接件的破壞過程分析

B類和D類試件除開孔形式不同外，其余結構形式相同，因此2者的破壞過程類似。試件在加載過程中，首先在內側鋼板與混凝土相接觸的位置開始出現微裂縫，表示鋼板與混凝土之間開始出現相對滑移;當荷載繼續增加，鋼板與混凝土之間的縫隙逐漸增大，且在內側加載端底部的豎向混凝土板開始出現裂縫;隨著荷載的不斷增大，裂縫繼續向底部擴展，經過混凝土塊底部，逐漸擴展到混凝土塊的外側面，并幾乎貫通整個模型，此時相對滑移量已經較大，但未出現承載能力下降現象。在試件破壞時，開孔鋼板被壓出，內側混凝土出現脫落現象，此時加載試件出現較大的脆斷聲，表明貫通鋼筋已被剪斷。加載模型除鋼板被壓出及貫通的混凝土裂縫外，其整體性處于完好狀態，試件破壞的原因為鋼筋被剪斷或屈服。

J類剪力連接件為角鋼連接件。試件在加載過程中，首先在內側鋼板與混凝土相接觸的位置出現微裂縫，表示鋼板與混凝土之間開始出現相對滑移;繼續加載，由于角鋼與內側混凝土相連接，加載過程中受到剪切力的作用而產生開裂，即在混凝土正面中部雙角鋼和混凝土交界的位置處開始出現裂縫，且混凝土裂縫靠近加載端位置，進而向底部外側擴展;隨著剪切力的不斷增加，最終裂縫貫穿整個混凝土的正面，同時由于底部混凝土受到約束作用，使得混凝土由開始的剪切破壞變為壓碎破壞，最終混凝土正面靠近加載端位置處出現壓碎破壞。

2.2 剪力連接件的破壞機理分析

B類試件的破壞形態如圖3所示。由圖3可知，B類試件屬于貫穿鋼筋的剪斷破壞，鋼板及孔內混凝土榫保持完好狀態，未發生明顯破壞。PBL連接件承載力是由鋼板、孔內混凝土及貫穿鋼筋三者共同提供［8］，且其極限承載能力由剛度和強度較弱的一方來決定。試驗中鋼板和孔內混凝土榫完好，而貫穿鋼筋發生破壞，說明此種情況下，鋼板及混凝土的強度和剛度大于貫通鋼筋，因此，貫通鋼筋會先于鋼板及孔內混凝土發生破壞，從而失去承載能力。

圖3 B類試件的破壞形態

既然PBL連接件的承載力是由鋼板、貫穿鋼筋及混凝土三者共同提供，且當其中任一方面的強度和剛度較弱時，PBL連接件的承載能力則由此弱項決定，只有當鋼板、貫穿鋼筋及混凝土的強度和剛度相當時才能充分發揮PBL連接件的極限承載能力。今后宜通過較多的試驗來確定三者最佳的組合方式。

D類試件的破壞形態如圖4所示。倒梯形孔鋼板在根部出現剪切破壞，孔內混凝土保持完好，貫通鋼筋無明顯變形，此種情況下，混凝土榫的整體強度和剛度大于開孔鋼板，因此使得倒梯形開孔鋼板發生剪切斷裂破壞，從而失去承載能力。

圖4 D類試件的破壞形態

J類試件的破壞形態如圖5所示，此類試件的破壞是由于混凝土板的剪切開裂及底部混凝土的壓碎破壞，導致連接件失去混凝土的約束作用而突然產生較大滑移量而喪失承載能力，此時鋼板保持完好，角鋼出現較小的彎曲變形，角鋼整體性較好，沒有出現屈服，且角鋼與鋼板間的焊縫連接較好，沒有出現損壞情況。

圖5 J類試件的破壞形態

進一步對J類試件的破壞形態進行分析可知，當角鋼連接件的鋼板開孔內不設置貫穿鋼筋時，混凝土過早失去約束作用而導致承載能力的不足，使得角鋼基本沒有發揮其承載力作用，因此對于此類角鋼連接件應在開孔內設置貫穿鋼筋，將會使得貫穿鋼筋對混凝土起到一定的約束作用，從而充分發揮角鋼的承載能力。

2.3 荷載-滑移曲線特征分析

3類剪力連接件的荷載-滑移曲線如圖6所示，圖中P為加載端所承受的荷載值，S為鋼板相對于混凝土的相對滑移量。對3類剪力連接件荷載-滑移曲線的發展全過程進行分析，可將其分為彈性階段、彈塑性階段及屈服階段。在彈性工作階段，荷載-滑移曲線斜率較大，呈現出較強的線性關系;當進入彈塑性工作階段時，荷載-滑移曲線斜率開始逐漸減小，表現出較強的非線性;當進入屈服階段時荷載-滑移曲線漸趨水平，其斜率趨于一個較小的恒定值，此時的滑移量較大，其滑移量的增量可達數毫米，較前2個階段顯著增長。

圖6 3類連接件荷載-滑移曲線

由于剪力連接件力學性能的影響因素較多，且混凝土材料的離散性較強，因此同組試件所獲得的荷載-滑移曲線不盡相同，具有離散性;通過對比B，D，J 3類不同剪力連接件的荷載-滑移曲線，仍然可以得到以下結論:

B，D，J 3類剪力連接件的荷載-滑移曲線發展全過程基本相似。B，D 2類剪力連接件的滑移量均較大，具有明顯的塑性發展過程，表現出較好的延性，由圖6(a)，6(b)可以看出，此2類剪力連接件的荷載-滑移曲線相類似，說明其力學性能相近。J類剪力連接件的荷載-滑移曲線如圖6(c)所示，與B，D類剪力連接件的荷載滑移曲線相比，彈性段較長，塑性段的發展過程較短，其延性較B，D類差。

3 結論

1)PBL剪力連接件與角鋼剪力連接件的破壞發展過程大不相同，指出了以往對剪力連接件破壞過程認識上的不足。

2)PBL連接件的主要破壞形式有:貫穿鋼筋剪斷破壞、孔內混凝土的壓碎破壞及鋼板剪切破壞3種。B類連接件的破壞形態屬于貫穿鋼筋的剪斷或屈服破壞，D類連接件的破壞形態屬于鋼板的剪切破壞。

3)角鋼剪力連接件在不設置貫穿鋼筋時混凝土過早失去約束作用而被壓潰破壞，因此，角鋼剪力連接件設置貫穿鋼筋很有必要。

4)PBL連接件的滑移量較大，具有明顯的塑性發展過程，表現出較好的延性;剪力連接件荷載滑移曲線的彈性段較長，塑性段的發展過程較短，其延性性能比PBL連接件較差。

［1］聶建國．鋼-混凝土組合梁結構:試驗、理論與應用［M］．北京:科學出版社，2005．

［2］胡建華，葉梅新，黃瓊．PBL剪力鍵承載力試驗［J］．中國公路學報，2006，19(6):65-72．

［3］陳建兵，萬水，尤元寶．開孔波折板連接件破壞機理及承載力試驗研究［J］．建筑結構，2013，43(12):74-80．

［4］周立松，黃炳生，馬千里．PBL連接件抗剪承載力計算研究［J］．鐵道建筑，2015(2):43-46．

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［6］VELENDANDA M R，HOSAIN M U．Behaviour of Perfobond Rib Shear Connectors Push-out Tests［J］．Canadian Journal of Civil Engineering，1992，19(1):1-10．

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［8］王振海，李喬，趙燦暉．PBL剪力鍵破壞形態的試驗研究［J］．公路交通科技，2012，29(8):64-70．

Study on Failure Process and Failure Mechanism for Different Types of Shear Connector

SONG Suidi1，ZHU Bing2，CHEN Kejian1，WANG Chongchong2
(1．China Railway Eryuan Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China; 2．School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

In this paper，failure process and failure mechanisms of different types of shear connector applied in steelconcrete composite structures were studied．T here are three sets of specimens:B，D and J．Each set has three specimens．T ype B and D are perfobond strip connector while T ype J is angle steel connector．T he entire failure processes were analyzed，failure modes and failure mechanisms were discussed，and the load-slip curve features of the three types of connector were studied．T he results show that the failure developments are different．T he failure mode of T ype B is shear cutting or yield of steel rebars，that of T ype D is shear failure of steel plate，and that of T ype J is concrete crush due to premature loss of constraint if no rebar is set through．T hus，it is necessary to set through steel rebars for angle steel connector．

Perfobond strip connector;Angle steel connector;Laboratory test;Failure mode;Failure mechanism; Load-slip curve

U448．21+6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．11

1003-1995(2016)12-0037-04

(責任審編孟慶伶)

2016-05-10;

2016-09-09

宋隨弟(1970—)，男，教授級高工，博士。